JP4579526B2 - 面発光レーザ - Google Patents

Description

本発明は面発光レーザに関するものである。

メトロ・アクセス用光通信網の信号光源として、毎秒１０ギガビット以上の高速で動作する波長１．３〜１．５５μｍの半導体レーザが必要とされている。このような半導体レーザには、直接変調可能であること、シングルモード発振可能であること、アンクール（ｕｎｃｏｏｌｅｄ）で使用できること、低消費電力であること、光ファイバへの結合効率が高いことなどの特性が要求される。これらの要求に応えることのできる半導体レーザとして、基板に対して垂直にレーザ光を出射する面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ、以下、ＶＣＳＥＬという）がある。

ＶＣＳＥＬは、半導体基板上に適当なペア数の下部多層膜反射鏡、活性層を含む共振器および適当なペア数の上部多層膜反射鏡を有している。共振器長は、発振波長をλ、共振器を構成する媒質の屈折率をｎとした時、λ／ｎまたはその整数倍に設定される。また、前記多層膜反射鏡は、屈折率の異なる層をλ／４ｎ倍の厚さで交互に積層することにより形成される。

０．８５μｍ帯のレーザ光を発振するＶＣＳＥＬは従来より研究・開発が行われ、実用化されている。これは、ＧａＡｓ基板上にＡｌ_Ａ１Ｇａ_１−Ａ１Ａｓ／Ａｌ_Ａ２Ｇａ_１−Ａ２Ａｓ（０≦Ａ１≦１、０≦Ａ２≦１）からなる多層膜反射鏡を有し、活性層としてＧａＡｓ量子井戸層／ＡｌＧａＡｓ障壁層を用いたものである。一方、１．２μｍ以上の長波長帯においては、ファブリ・ペロー型などの一般的な半導体レーザではＧａＩｎＡｓＰ系活性層／ＩｎＰ基板というような組合せのＩｎＰ系の材料が用いられている。しかしながら、ＶＣＳＥＬを構成する材料系としては、ＩｎＰ系よりもＧａＡｓ系の方が以下のような理由により有利である。すなわち、ＧａＡｓ基板を用いた場合、多層膜反射鏡としてＡｌＧａＡｓを用いることができるため、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差を大きくすることができ、少ないペア数で高い反射率が得られる。その結果、素子抵抗を小さくすることができ、低消費電力化に有利となる。また、ＡｌＧａＡｓは熱抵抗が小さく、これを多層膜反射鏡に用いることで高温動作の可能なＶＣＳＥＬが得られるため、アンクールでの使用という観点からも有利である。

さらに、ＧａＩｎＡｓＰなどのＰを含む半導体材料には組成を制御しにくい等、結晶成長上の困難があることが知られている。そこで、近年では、１．２μｍ帯またはそれ以上の波長でレーザ光を発振する材料として、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮＡｓがさかんに研究・開発されている。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓの結晶成長は比較的簡単で、良好な結晶が得られやすいというメリットがある。

ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層として用いる場合、障壁層としてはこれより大きなバンドギャップを与える組成のＧａＩｎＮＡｓ、あるいはＧａＮＡｓなどが適当である。たとえば、Ｂｏｒｃｈｅｒｔらは、ＧａＡｓを基板とし、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層および障壁層として用いた長波長帯の半導体レーザにおいて、低発振閾値・高発光効率のレーザ動作を実現している（非特許文献１）。
B.Borchert, A.Y.Egorov, S.Illek and H.Riechert, ''Static and Dynamic Characteristics of 1.29-um GaInNAs Ridge-Waveguide Laser Diodes'', IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.6, June 2000, p.597-599 (USA)

なお、ＧａＩｎＮＡｓの代わりに、Ｖ族構成元素としてＳｂを含んだＧａＩｎＮＡｓＳｂが用いられることもある。同様に、ＧａＮＡｓの代わりにＧａＮＡｓＳｂが用いられることもある。

ところで、上記のような長波長帯レーザの量子井戸層として用いられる発光波長１．２μｍのＧａＩｎＮＡｓ結晶は、ＧａＡｓ基板上では＋２％以上の大きな圧縮歪を持つことが知られている。一方、障壁層として用いる材料は、良好なキャリア閉じ込めにより低発振閾値・高温動作を実現するためにバンドギャップ組成波長を１μｍ以下とする必要がある。障壁層としてＧａＮＡｓを用いると、バンドギャップ組成波長が１μｍ以下となるＮ組成は１％以下であり、これを満たすＧａＮＡｓ結晶のＧａＡｓ基板上における歪量は０〜−０．２％となる。

このような歪量子井戸構造における正味の歪、すなわちネット歪ε_ｎｅｔは、以下の式（１）で表される。

ε_ｎｅｔ＝（Ｎ_ｗ・ε_ｗ・Ｌ_ｗ＋Ｎ_ｂ・ε_ｂ・Ｌ_ｂ）／（Ｎ_ｗ・Ｌ_ｗ＋Ｎ_ｂ・Ｌ_ｂ） 式（１）
ここで、Ｎは層数、εは結晶の歪量、Ｌは層厚さを表す。添え字ｗは井戸層、添え字ｂは障壁層に対応する。

ＶＣＳＥＬの長期信頼性の観点からは、ネット歪をゼロに近くすることが望ましい。ネット歪をゼロとするためには、式（１）の右辺がゼロとなるように量子井戸層や障壁層の厚さを設定する必要がある。ここで、発光波長１．３μｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層のＧａＡｓ基板上における臨界膜厚は約７ｎｍであり、これを考慮すると、ネット歪をゼロとするためには約１５ｎｍ以上の厚さの障壁層が必要となる。

一方、ＶＣＳＥＬにおいて、障壁層の厚さを厚くすると以下のような弊害があった。以下、図７を用いて説明する。ここで、図７（ａ）は従来のＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯ＶＣＳＥＬの共振器構造を示したものであり、共振器長Ｌ＝λ／ｎとしたものである。図７（ｂ）は、この共振器内における光定在波の分布を示したものである。共振器３０は、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層２７およびＧａＮＡｓ障壁層２８からなる多重量子井戸活性層２６を含んでいる。光閉じ込めを大きくして低発振閾値を得るためには、光定在波の腹（前記光定在波の分布の極大点）２９の位置に量子井戸活性層２７の中心井戸層２７ａを配置し、他の井戸層２７ｂを前記光定在波の腹２９の近傍に配置する必要がある。ところが、ネット歪をゼロに近くするために障壁層の厚さを厚くすると、中心井戸層２７ａ以外の井戸層２７ｂが光定在波の腹２９から遠くなってしまい、その結果光閉じ込めが十分に得られず、閾値の増大や光出力の低下を招くこととなる。

以上のような理由から、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料を用いた長波長帯ＶＣＳＥＬにおいては、低閾値・高出力動作・良好な温度特性と高信頼性動作とを両立させることが困難となっていた。

以上の問題を解決するため、本発明のＶＣＳＥＬの態様は、半導体基板上に、複数の量子井戸層および障壁層を含む多重量子井戸活性層を備えた共振器と、当該共振器の上下を挟む多層膜反射鏡とを有する面発光レーザにおいて、前記複数の量子井戸層は、一層当りの圧縮歪が＋２％以上であって、少なくとも一層はＧａ_ｘ１Ｉｎ_１−ｘ１Ｎ_ｙ１Ａｓ_ｙ２Ｓｂ_{１−ｙ１−ｙ２}（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１、ｙ２＜１、０＜ｙ１＋ｙ２≦１）からなり、前記障壁層は、一層当りの歪量が０％〜−０．２％であって、バンドギャップ波長λgが１μｍ以下の、ＧａＮ_ｙ３Ａｓ_ｙ４Ｓｂ_{１−ｙ３−ｙ４}（０＜ｙ３＜０．０１、０＜ｙ４＜１、０＜ｙ３＋ｙ４≦１）またはＮ組成が１％以下のＧａＮＡｓからなり、前記多重量子井戸活性層の少なくとも片側に近接して引張歪閉じ込め層を有し、前記多重量子井戸活性層は、前記共振器に生じる光定在波の腹の位置に中心井戸層もしくは中心障壁層を持つように配置され、前記多重量子井戸活性層と前記引張歪閉じ込め層の合計厚さは、式（１）により示される臨界膜厚Ｈｃ以下であることを特徴とする。
Ｈｃ＝（Ａ／ε _net ）{ｌｎ（Ｈｃ／４）＋１} ・・・（１）
（但し、Ａは｛４／π｝｛（１−０．２５ν）／（１＋ν）｝により決まる定数（ν：ポアッソン比）、ε _net は前記多重量子井戸活性層および前記引張歪閉じ込め層領域における正味の歪量である。）

請求項１に記載の発明によれば、１．２μｍ以上の発振波長を持つＶＣＳＥＬにおいて、障壁層のＮ組成を１％以下とすることにより、障壁層のバンドギャップ組成波長が１μｍ以下となるため、十分なキャリア閉じ込めを得ることができる。そして、障壁層のＮ組成を上記のようにすることによるネット歪の増加を、引張歪光閉じ込め層により補償することができるため、量子井戸活性層と引張歪光閉じ込め層の全体におけるネット歪を小さくすることができる。なお、以下において、化合物半導体を「Ａ_１Ａ_２・・・Ｂ_１Ｂ_２・・・（Ｓｂ）」と表記した場合は、「Ａ_１Ａ_２・・・Ｂ_１Ｂ_２・・・またはＡ_１Ａ_２・・・Ｂ_１Ｂ_２・・・Ｓｂ」を指すものとする。なお、Ａ_１、Ａ_２等はＩＩＩ族元素、Ｂ_１、Ｂ_２等はＶ族元素である。たとえば、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）と表記した場合は、ＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂを指す。

また、本発明のＶＣＳＥＬの態様は、障壁層のうち、量子井戸層の間に存在する障壁層の１層当りの厚さは２５ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、障壁層一層当たりの厚さを２５ｎｍ以下とすることで、光閉じ込めを大きくすることができ、しきい値電流密度の低減及び光高出力化を実現することができる。

また、請求項３に記載のＶＣＳＥＬは、多重量子井戸活性層と引張歪閉じ込め層の合計厚さは、式（２）により示される臨界膜厚Ｈ_ｃ以下であることを特徴とする。
Ｈ_ｃ＝（Ａ／ε_ｎｅｔ）{ｌｎ（Ｈ_ｃ／４）＋１} ・・・式（２）
（但し、Ａは｛４／π｝｛（１−０．２５ν）／（１＋ν）｝で表される定数（ν：ポアッソン比）、ε_ｎｅｔは前記多重量子井戸活性層および前記引張歪閉じ込め層領域における正味の歪量である。）

ここで、請求項２または３に記載の発明においては、前記合計厚さを臨界膜厚以下とするために、引張歪光閉じ込め層の厚さを厚くすることによりネット歪ε_netを小さくすることが有効である。

請求項４に記載のＶＣＳＥＬは、引張歪閉じ込め層は、少なくとも一部がＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＡｓＰＳｂ、ＧａＩｎＡｓＰＳｂ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂのいずれかからなることを特徴とする。これらの材料は、基板を構成するＧａＡｓよりも格子定数を小さくすることが可能であるため、引張歪閉じ込め層の材料として好適である。

請求項５に記載のＶＣＳＥＬは、半導体基板はＧａＡｓであり、前記多層膜反射鏡はＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ（０≦ｘ３≦１）により構成されることを特徴とする。

請求項６に記載のＶＣＳＥＬは、半導体基板上に、複数組の多重量子井戸活性層を含み、式（３）で示される共振器長Ｌの共振器を有する面発光レーザにおいて、前記複数組の多重量子井戸活性層は、１層辺りの歪量の絶対値が２％以上である複数の量子井戸層と障壁層を有し、前記複数組の多重量子井戸活性層は、前記共振器に生じる光定在波の腹の位置に中心井戸層もしくは中心障壁層を持つように配置されていることを特徴とする。
Ｌ＝ｍλ／２ｎ_ｅｆｆ ・・・式（３）
（但し、mは３以上の整数、λは発振波長、ｎ_ｅｆｆは共振器の実効屈折率である。）

請求項７に記載のＶＣＳＥＬは、多重量子井戸活性層の歪量は−０．５％以上、＋０．５％以下であることを特徴とする。

請求項６または７に記載の発明においては、大きな歪を生じる量子井戸活性層を持ったＶＣＳＥＬにおいて、ネット歪を増加させないために障壁層の厚さをある程度以上に保ちながら、良好な光閉じ込めを得ることができる。
さらに、請求項７に記載の発明によれば、上記の請求項６に記載の発明において、特にネット歪を小さくできるような障壁層の厚さとしながらも、良好な光閉じ込めを得ることができる。

本発明のＶＣＳＥＬの態様は、量子井戸層の少なくとも一層はＧａ_ｘ４Ｉｎ_１−ｘ４Ｎ_ｙ５Ａｓ_ｙ６Ｓｂ_{１−ｙ５−ｙ６}（０＜ｘ４＜１、０＜ｙ５、ｙ６＜１、０＜ｙ５＋ｙ６≦１）からなり、障壁層の少なくとも一層はＧａＮ_ｙ７Ａｓ_ｙ８Ｐ_ｙ９Ｓｂ_{１−ｙ７−ｙ８−ｙ９}（０＜ｙ７≦１、０＜ｙ８＜１、０≦ｙ９＜１、０＜ｙ７＋ｙ８＋ｙ９≦１）またはＡｌ_ｘ６Ｇａ_１−ｘ６Ｎ_ｙ１０Ａｓ_ｙ１１Ｓｂ_{１−ｙ１０−ｙ１１}（０＜ｘ６、ｘ７、ｙ１０、ｙ１１＜１、０＜ｙ１０＋ｙ１１≦１）のいずれかからなることを特徴とする。この発明によれば、ＧａＡｓ基板上で大きな圧縮歪を持つＧａＩｎＮＡｓ系の面発光レーザにおいて、ネット歪を小さくできるような障壁層の厚さとしながらも、良好な光閉じ込めを得ることができる。

本発明のＶＣＳＥＬの態様は、量子井戸層の数が３以上、１５以下であることを特徴とする。量子井戸数を３以上とすることで、良好な利得が得られ、また、量子井戸数を１５以下とすることで、共振器中での光吸収による損失を抑制することができる。

本発明のＶＣＳＥＬの態様は、発振波長が１．２μｍ以上であることを特徴とする。

本発明の請求項１乃至５に記載の発明によれば、良好なキャリア閉じ込めを実現しつつ、ネット歪を小さくすることができるため、発振閾値・温度特性・長期信頼性が共に良好なＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ系ＶＣＳＥＬを提供することができる。

また、本発明の請求項６乃至９に記載の発明によれば、障壁層の厚さをある程度以上に保ちながらも、良好な光閉じ込めを得ることができるため、発振閾値・光出力特性・長期信頼性が共に良好なＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ系ＶＣＳＥＬを提供することができる。

また、本発明の請求項１０に記載の発明によれば、発振閾値・温度特性・光出力特性・長期信頼性が良好な長波長帯ＶＣＳＥＬを提供することができる。

本発明の好適な実施形態について、以下に図面を参照しながら説明する。

[実施形態１]
実施形態１として、多重量子井戸活性層の上下に引張歪光閉じ込め層を設けた１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬについて説明する。

図１に、実施形態１に係るＶＣＳＥＬの縦断面図を示す。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓを３５．５ペア積層した下部多層膜反射鏡２、共振器長Ｌ＝λ／ｎ（λは発振波長、ｎは媒質の屈折率）を有する共振器３、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓを積層した上部多層膜反射鏡５が積層されている。共振器３は活性層４を含んでいる。この積層構造の上部は、少なくとも上部多層膜反射鏡５の全層を含むように、直径ｄ_ｍが約４０μｍのメサポスト６を形成している。

上部多層膜反射鏡５のうち、共振器３に最も近いペア中に、膜厚２０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ層が挿入され、これをメサポスト６の周囲から所定量酸化して酸化層９を形成することにより、選択酸化型電流狭窄構造が形成されている。酸化アパーチャ直径ｄ_ＯＡは約６μｍとする。上部多層膜反射鏡５の最上層表面には、ｐ側電極７がリング状に形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極８が形成されている。

ここで、共振器３の拡大図を図２（ａ）に、バンドギャップ図を図２（ｂ）に示す。
活性層４は、７．３ｎｍ厚さのＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_{０．０１２}Ａｓ_{０．９８８}量子井戸層１４、２０ｎｍ厚さのＧａＮ_{０．００６}Ａｓ_{０．９９４}障壁層１３（量子井戸層間）および３０ｎｍ厚さのＧａＮ_{０．００６}Ａｓ_{０．９９４}障壁層１３’（量子井戸層の外側）からなる３重量子井戸構造となっており、活性層４の上および下にＧａＡｓ_０．８９Ｐ_０．１１引張歪光閉じ込め層１２ｂおよび１２ａが形成されている。この引張歪光閉じ込め層１２ｂおよび１２ａと活性層４とを合わせた部分を、ここでは歪層と呼ぶ。図中では符号１５で示している。

さらに引張歪閉じ込め層１２ｂおよび１２ａの上下に、ＧａＡｓ光閉じ込め層１１ｂおよび１１ａが形成され、全体が共振器長Ｌ＝λ／ｎの共振器構造となっている。なお、本実施形態１においてはｎが約３．５であるため、共振器長Ｌの値は約３７０ｎｍとなる。なお、ここで共振器長Ｌとは「ＧａＡｓ光閉じ込め層１１ａの厚さ＋歪層１５の厚さ＋ＧａＡｓ光閉じ込め層１１ｂの厚さ」であり、下部多層膜反射鏡２と上部多層膜反射鏡５とで挟まれた部分の長さを指す。

なお、以上の構造は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法、化学ビームエピタキシー法などのよく知られた結晶成長法により作製可能である。

ここで、引張歪光閉じ込め層１２ｂおよび１２ａの適切な厚さについて説明する。歪層１５のネット歪ε_netは、引張歪光閉じ込め層１２ａおよび１２ｂの厚さｄ_n-SCHおよびｄ_ｐ-SCHにより、以下の式（４）で表される関係にある。なお、ε_n-SCHおよびε_ｐ-SCHは引張歪閉じ込め層１２ａおよび１２ｂの歪量である。
ε_net＝（ε_n-SCH・d_n-SCH＋ε_MQW・d_MQW＋ε_p-SCH・d_p-SCH）／（d_n-SCH＋d_MQW＋d_p-SCH） 式（４）
このネット歪ε_netを用いて、式（２）から臨界膜厚Ｈ_ｃが求められる。このようにして求めた実施形態１のＶＣＳＥＬにおける臨界膜厚を引張歪光閉じ込め層１２ａまたは１２ｂの膜厚に対してプロットした結果を、図３のグラフにおける点線で示す。なお、引張歪閉じ込め層１２ａと１２ｂは同じ膜厚であるとして計算している。また、実施形態１のＶＣＳＥＬにおいて、前記引張歪閉じ込め層１２ａ（１２ｂ）の膜厚に対応する歪層１５の厚さを実線で表す。

図３よりわかるように、ＧａＡｓ_０．８９Ｐ_０．１１引張歪光閉じ込め層の片側厚さが約１７ｎｍ以上であれば、歪層１５の厚さが臨界膜厚以下となることがわかる。以上の検討結果に鑑み、引張歪光閉じ込め層１２ａおよび１２ｂの厚さをそれぞれ３０ｎｍとした。なお、引張歪光閉じ込め層自体の臨界膜厚は、式（２）から計算されるように６３０ｎｍである。

このＶＣＳＥＬでは、閾値電流０．５ｍＡ、スロープ効率０．３Ｗ／Ａ、１００℃以上でのＣＷ発振が得られ、低閾値・高効率・良好な温度特性が確認された。また、１００℃、６ｍＡでの連続通電において、３０００時間通電後の光出力は初期値の９５％であり、良好な長期信頼性が示された。

なお、引張歪光閉じ込め層を構成する材料は、ＧａＡｓＰ以外の材料、たとえばＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂであってもよく、これらの結晶がＧａＡｓ基板上において持つ歪量に応じて、歪層の厚さが式（２）で示される臨界膜厚を超えないように、引張歪光閉じ込め層の厚さを設定すればよい。また、本実施形態１では、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成されたＶＣＳＥＬについて説明したが、導電型を逆にしたＶＣＳＥＬとしてもよいことは言うまでもない。

[実施形態２]
実施形態２として、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）活性層およびＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層からなる複数組の多重量子井戸活性層を用いた１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬについて説明する。

この実施形態２に係るＶＣＳＥＬの共振器部分の縦断面図を図４（ａ）に示す。共振器２０内には二組の３重量子井戸活性層１６ａおよび１６ｂを有しており、これらは共に７．３ｎｍ厚さのＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_{０．０１２}Ａｓ_{０．９８８}量子井戸層１７と１６ｎｍ厚さのＧａＮ_{０．０１９}Ａｓ_{０．９８１}障壁層１８からなっている。ここで各層の歪量は、量子井戸層１７は＋２．２７％、障壁層１８は−０．３８％であるため、これらの各々の３重量子井戸活性層１６ａおよび１６ｂのネット歪は、式（４）を用いて計算すると＋０．３０％となる。

また、共振器長Ｌ＝１．５λ／ｎとし、この時の共振器２０内における光定在波の電界分布を図４（ｂ）に示す。３重量子井戸活性層１６ａおよび１６ｂは、これらに含まれる中心井戸層１７’が、それぞれ図４（ｂ）に示された光定在波の腹１９ａおよび１９ｂに位置するように配置されているものとする。

このＶＣＳＥＬの共振器以外の部分の構造は、図１に示したものと同様である。

この実施形態２に係るＶＣＳＥＬと、図７に示したような従来の共振器構造を持つＶＣＳＥＬについて、得られる光出力を以下のような方法で比較した。多重量子井戸活性層を有する光共振器から出力される光強度Ｐは、以下のように式（５）で表される。
Ｐ ∝ Ｉ_{ｔｏｔａｌ}＝（Ｅ_１）^２＋（Ｅ_２）^２＋・・・＋（Ｅ_ｎ）^２ 式（５）
ここで、Ｅ_ｎは、量子井戸ＱＷ_ｎにおける光定在波の電界強度を表し、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}はこれらの二乗の和である。但し、電界強度は最大値が１となるように規格化されているものとする。図７に示した従来の共振器構造および図４（ａ）に示した本実施形態１に係るＶＣＳＥＬの共振器構造のそれぞれについて、式（５）にもとづきＩ_{ｔｏｔａｌ}を計算すると、前者は２．５８５、後者は５．１７となる。つまり、本実施形態２においては、光出力を従来の２倍に向上できることが示された。

ここで、多重量子井戸活性層の組数は、上に示したものには限られない。たとえば、図５（ａ）および（ｂ）は、共振器長Ｌ＝２λ／ｎとし、三組の３重量子井戸活性層１６ａ、１６ｂおよび１６ｃを、これらに含まれる中心井戸層１７’がそれぞれ光定在波の腹１９ａ、１９ｂおよび１９ｃに位置するように配置した場合における、共振器構造および光定在波分布である。この場合、式（５）を用いて計算すると、図７に示したような従来の共振器構造を持つＶＣＳＥＬに比べて、光出力を３倍に向上できることがわかる。

また、図６（ａ）および（ｂ）は、共振器長Ｌ＝１．５λ／ｎとし、二組の５重量子井戸活性層１８ａおよび１８ｂを、これらに含まれる中心井戸層１７’がそれぞれ光定在波の腹１９ａおよび１９ｂに位置するように配置した場合における、共振器構造および定在波分布である。この場合、図７に示したような従来の共振器構造を持つＶＣＳＥＬに比べて、光出力を５倍に向上させることができる。

なお、本実施形態２の各形態例においては、各々の組に含まれる量子井戸層の数を奇数とし、中心井戸層が定在波の腹に一致するように配置した場合について示したが、各々の組に含まれる量子井戸層の数が偶数である場合には、中心障壁層が定在波の腹に一致するように配置すれば良い。

なお、障壁層はＧａＮＡｓ（Ｓｂ）に代えてＧａＮＡｓＰ（Ｓｂ）またはＡｌＧａＮＡｓ（Ｓｂ）としてもよい。また、本実施形態２では、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成されたＶＣＳＥＬについて説明したが、導電型を逆にしたＶＣＳＥＬとしてもよいことは言うまでもない。

以上示したように、本実施形態２に係るＶＣＳＥＬは、障壁層の厚さをある程度以上に保つことにより量子井戸活性層のネット歪を小さくしながらも、良好な光閉じ込めを得ることができるため、低閾値・高出力動作と高信頼性とを両立させることができる。なお、高信頼性を得るために、量子井戸活性層のネット歪は−０．５％以上、＋０．５％以下であることが望ましい。

は、本発明の実施形態１に係るＶＣＳＥＬの層構造を示す縦断面図である。 （ａ）は、図１に示したＶＣＳＥＬの共振器構造を示す縦断面図である。（ｂ）は、（ａ）に対応するバンドギャップ図である。 は、ＧａＡｓ_０．８９Ｐ_０．１１引張歪光閉じ込め層の片側厚さに対して、歪層の厚さおよび歪層の臨界膜厚を示したグラフである。 （ａ）は、本発明の実施形態２に係るＶＣＳＥＬの共振器構造を示す縦断面図である。（ｂ）は、共振器中の定在波分布を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態２に係るＶＣＳＥＬの他の共振器構造を示す縦断面図である。（ｂ）は、共振器中の定在波分布を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態２に係るＶＣＳＥＬの他の共振器構造を示す縦断面図である。（ｂ）は、共振器中の定在波分布を示す図である。 （ａ）は、従来のＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯ＶＣＳＥＬの共振器構造を示す縦断面図である。（ｂ）は、共振器中の定在波分布を示す図である。

符号の説明

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ 下部多層膜反射鏡
３ 共振器
４ 活性層
５ 上部多層膜反射鏡
６ メサポスト
７ ｐ側電極
８ ｎ側電極
１１ａ、１１ｂ ＧａＡｓ光閉じ込め層
１２ａ、１２ｂ 、ＧａＡｓ_０．８９Ｐ_０．１１引張歪光閉じ込め層
１３、１３’ ＧａＮ_{０．００６}Ａｓ_{０．９９４}障壁層
１４ Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_{０．０１２}Ａｓ_{０．９８８}量子井戸層
１５ 歪層
１６ａ、１６ｂ ３重量子井戸活性層
１７ Ｇａ_０．６１Ｉｎ_０．３９Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９８２}量子井戸層
１８ ＧａＮ_{０．０１９}Ａｓ_{０．９８１}障壁層
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ 光定在波の腹
２０ 共振器
２６ 多重量子井戸活性層
２７ ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
２８ ＧａＮＡｓ障壁層
２９ 光定在波の腹
３０ 共振器

Claims (9)

1. 半導体基板上に、複数の量子井戸層および障壁層を含む多重量子井戸活性層を備えた共振器と、当該共振器の上下を挟む多層膜反射鏡とを有する面発光レーザにおいて、
   前記複数の量子井戸層は、一層当りの圧縮歪が＋２％以上であって、少なくとも一層はＧａ_ｘ１Ｉｎ_１−ｘ１Ｎ_ｙ１Ａｓ_ｙ２Ｓｂ_{１−ｙ１−ｙ２}（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１、ｙ２＜１、０＜ｙ１＋ｙ２≦１）からなり、
   前記障壁層は、一層当りの歪量が０％〜−０．２％であって、バンドギャップ波長λgが1μｍ以下の、ＧａＮ_ｙ３Ａｓ_ｙ４Ｓｂ_{１−ｙ３−ｙ４}（０＜ｙ３＜０．０１、０＜ｙ４＜１、０＜ｙ３＋ｙ４≦１）またはＮ組成が１％以下のＧａＮＡｓからなり、
   前記多重量子井戸活性層の少なくとも片側に近接して引張歪閉じ込め層を有し、
   前記多重量子井戸活性層は、前記共振器に生じる光定在波の腹の位置に中心井戸層もしくは中心障壁層を持つように配置され、
   前記多重量子井戸活性層と前記引張歪閉じ込め層の合計厚さは、式（１）により示される臨界膜厚Ｈｃ以下であることを特徴とする面発光レーザ。
   Ｈｃ＝（Ａ／ε_net）{ｌｎ（Ｈｃ／４）＋１} ・・・（１）
   （但し、Ａは｛４／π｝｛（１−０．２５ν）／（１＋ν）｝により決まる定数（ν：ポアッソン比）、ε_netは前記多重量子井戸活性層および前記引張歪閉じ込め層領域における正味の歪量である。）
2. 前記障壁層のうち、前記量子井戸層の間に存在する障壁層の１層当りの厚さは２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記引張歪閉じ込め層は、少なくとも一部がＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＡｓＰＳｂ、ＧａＩｎＡｓＰＳｂ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂのいずれかからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
4. 前記半導体基板はＧａＡｓであり、前記多層膜反射鏡はＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ（０≦ｘ３≦１）により構成されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
5. 前記共振器は、複数組の前記多重量子井戸活性層を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
6. 前記共振器は、式（２）で示される共振器長Ｌを備えていることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
   Ｌ＝ｍλ／２ｎ_eff・・・（２）
   （但し、ｍは３以上の整数、λは発振波長、ｎ_effは共振器の実効屈折率である。）
7. 前記多重量子井戸活性層の歪量は−０．５％以上、＋０．５％以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の面発光レーザ。
8. 前記量子井戸層の数が３以上、１５以下であることを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
9. 発振波長が１．２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザ。

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